楊珅菡 劉羽岱

1 上海臨港科技創(chuàng)新城經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限公司

2 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

超低能耗建筑作為節(jié)能建筑的高級(jí)形態(tài)，是建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的重要抓手，已成為普遍共識(shí)。近年來(lái)，超低能耗建筑，尤其是住宅類超低能耗建筑，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究較多[1-4]，但是公共建筑，尤其是大體量的玻璃幕墻辦公建筑，研究相對(duì)較少[5-7]。

從2021 年起，伴隨著相關(guān)政策的出臺(tái)，超低能耗建筑在上海如火如荼的開(kāi)展。其中住宅類超低能耗項(xiàng)目占到了通過(guò)方案評(píng)審數(shù)量的90%以上。相比之下，公共建筑超低能耗的發(fā)展，卻顯得不溫不火。究其原因，一方面，相比于住宅建筑來(lái)說(shuō)，公共建筑，尤其是大體量玻璃幕墻體系的辦公建筑，超低能耗技術(shù)實(shí)施難度大，成本高。另一方面，上海針對(duì)公建出臺(tái)的資金扶持政策，力度還不夠有吸引力。

建筑方案設(shè)計(jì)對(duì)建筑能耗有決定性的影響，諸如建筑體形、朝向、空間布局、窗墻比、遮陽(yáng)形式基本都是在方案階段確認(rèn)。在設(shè)計(jì)管理中，如何從方案階段就兼顧成本限額、結(jié)合造型美觀，滿足超低能耗建筑的技術(shù)要求，有預(yù)控的開(kāi)展設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，往往能在降低建筑能耗和控制成本方面起到事半功倍的效果。因此，本文以上海地區(qū)超低能耗辦公建筑方案設(shè)計(jì)為例，研究其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 超低能耗建筑在上海地區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r

1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)自2010 年以來(lái)，在不同氣候區(qū)開(kāi)展了一系列的超低能耗建筑示范項(xiàng)目建設(shè)，取得了良好的應(yīng)用效果。目前國(guó)內(nèi)已逐步建立起超低能耗建筑的標(biāo)準(zhǔn)體系[8-9]，包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。2019 年，上海市發(fā)布了《上海市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則》（試行）（下文簡(jiǎn)稱導(dǎo)則）。根據(jù)導(dǎo)則對(duì)超低能耗建筑的定義，超低能耗建筑是指適應(yīng)氣候特征和場(chǎng)地條件，在利用被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)和技術(shù)手段大幅降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)主動(dòng)技術(shù)措施提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，以更少的能源消耗提供舒適室內(nèi)環(huán)境的建筑，其供暖、空調(diào)、照明、生活熱水、電梯能耗水平應(yīng)較2016 年建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)降低50%以上。

圖1 超低能耗建筑的節(jié)能水平示意

1.2 超低能耗建筑的特點(diǎn)

將導(dǎo)則與上海當(dāng)前常規(guī)做法進(jìn)行對(duì)比，匯總?cè)绫? 所示。

表1 上?，F(xiàn)行節(jié)能設(shè)計(jì)措施與超低能耗措施對(duì)比

可以看出，超低能耗建筑在圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面有了顯著的提升，尤其是針對(duì)門(mén)窗和玻璃幕墻部分，直接要求從兩玻中空構(gòu)造上升到三玻兩腔以上，這也是超低能耗增量成本最大的地方。

1.3 超低能耗建筑的相關(guān)政策

2020 年3 月，上海市發(fā)布的《上海市建筑節(jié)能和綠色建筑示范項(xiàng)目專項(xiàng)扶持辦法》（滬住建規(guī)范聯(lián)〔2020〕2 號(hào)），將超低能耗建筑納入補(bǔ)貼范圍，建筑面積要求為0.2 萬(wàn)m2以上，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)定為300 元/m2（600 萬(wàn)封頂）。2020 年12 月發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)本市超低能耗建筑發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》，對(duì)符合條件要求的超低能耗建筑給予3%容積率獎(jiǎng)勵(lì)。超低能耗建筑項(xiàng)目只能選擇財(cái)政支持或容積率計(jì)算中的一項(xiàng)進(jìn)行申報(bào)。

2 超低能耗辦公建筑方案設(shè)計(jì)核心要點(diǎn)

超低能耗的約束范圍限定在采暖空調(diào)、照明、熱水、電梯，這些能耗是建筑能耗中的主要因素，也是開(kāi)展節(jié)能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。依據(jù)導(dǎo)則，公共建筑達(dá)到上海市超低能耗建筑技術(shù)要求，相關(guān)室內(nèi)環(huán)境和建筑能耗控制指標(biāo)要求如表2 所示。

表2 上海超低能耗公共建筑指標(biāo)要求

從表2 可以看出，除了常規(guī)的溫濕度、新風(fēng)量、建筑氣密性和建筑能耗外，上海市的超低能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還適應(yīng)上海地區(qū)氣候特點(diǎn)和本地生活習(xí)慣，提出了自然通風(fēng)和自然采光的指標(biāo)要求。辦公建筑需要根據(jù)物業(yè)的租售策略、在方案設(shè)計(jì)階段來(lái)優(yōu)化和處理，在被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)、方案效果以及經(jīng)濟(jì)成本之間找到平衡點(diǎn)。

3 辦公建筑超低能耗方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 超低能耗對(duì)辦公建筑方案立面的影響

超低能耗對(duì)辦公建筑方案設(shè)計(jì)的影響，主要體現(xiàn)在三方面：窗墻比控制，遮陽(yáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及外窗開(kāi)啟扇比例。

1）合理選擇立面窗墻比

根據(jù)導(dǎo)則設(shè)計(jì)要求，不鼓勵(lì)設(shè)置大面積玻璃幕墻。其控制方式是通過(guò)固定參照建筑的窗墻比（40%），當(dāng)實(shí)際設(shè)計(jì)建筑的窗墻比偏離參照建筑越大，其能耗降低的難度就越大，投入就越高。超低能耗建筑全年累計(jì)耗冷熱量降低幅度也需要對(duì)窗墻比進(jìn)行控制。然而，導(dǎo)則中又對(duì)自然通風(fēng)和自然采光有要求，以使得75%的建筑空間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)。因此，無(wú)論是提高窗墻比，還是提高外窗玻璃的透光率，抑或提升外窗氣密性，都需要在采光與能耗之間找到平衡。

選取臨港科技創(chuàng)新城A0302 地塊項(xiàng)目典型的科研辦公建筑為例，建筑平面長(zhǎng)寬尺寸分別為54 m 和30 m，采用核心筒設(shè)計(jì)，建筑進(jìn)深為10.5 m。使用PKPM 模擬軟件，計(jì)算2 到12 層的辦公樓面，設(shè)置參數(shù)為玻璃幕墻的可見(jiàn)光透射比0.50，墻體反射比0.6，地面反射比0.3，吊頂反射比0.75，通過(guò)調(diào)整玻璃幕墻系統(tǒng)中不透光部分的尺寸來(lái)改變窗墻比。由圖2 可以看出，采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積比例隨著窗墻比的降低而下降。當(dāng)窗墻比為0.4 時(shí)，達(dá)標(biāo)面積比例為46.9%，不滿足導(dǎo)則中75%的功能空間采光系數(shù)需滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50333 的要求。因此，從滿足自然采光系數(shù)的角度，也建議窗墻比控制在50%左右。

圖2 窗墻比對(duì)采光系數(shù)的影響

2）合理選擇立面遮陽(yáng)方式

上海屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，夏季太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，建筑遮陽(yáng)對(duì)供暖空調(diào)負(fù)荷和能耗有重要影響。玻璃幕墻作為一種美觀、通透的建筑墻體裝飾方法，是現(xiàn)代主義高層建筑時(shí)代的顯著特征。針對(duì)玻璃幕墻的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，主要考慮以下幾方面的建議：1）玻璃幕墻的遮陽(yáng)系數(shù)，應(yīng)該結(jié)合能耗模擬的計(jì)算結(jié)果來(lái)確定。2）相比于窗墻系統(tǒng)，玻璃幕墻的遮陽(yáng)系數(shù)計(jì)算方法是不一樣的。窗墻體系可以計(jì)入窗框的遮陽(yáng)效果，從而可以放寬對(duì)玻璃遮陽(yáng)的要求。玻璃遮陽(yáng)系數(shù)不能無(wú)限制的降低，過(guò)低的遮陽(yáng)系數(shù)難以獲得較高的可見(jiàn)光透射比，需要與采光計(jì)算協(xié)調(diào)。3）對(duì)于窗墻體系而言，外遮陽(yáng)卷簾、中置百葉等具備一定的可能性。玻璃幕墻體系下，活動(dòng)外遮陽(yáng)或者中置遮陽(yáng)的可能性較小，可調(diào)百葉較難為建筑方案設(shè)計(jì)師和建設(shè)單位接受。4）玻璃幕墻的遮陽(yáng)系數(shù)要綜合考慮外立面造型，原則上優(yōu)先降低玻璃自身的遮陽(yáng)系數(shù)（采用三銀或雙銀），在結(jié)合立面造型構(gòu)件設(shè)置外遮陽(yáng)時(shí)，還需要考慮遮陽(yáng)對(duì)采光的影響。

本文以臨港科技創(chuàng)新城A0302 地塊項(xiàng)目東北側(cè)3 棟建筑為例，考慮當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射和周?chē)ㄖ恼趽跤绊懀捎没趓hino 和grasshopper 平臺(tái)的計(jì)算插件ladybug 來(lái)模擬建筑的太陽(yáng)輻射分布。計(jì)算結(jié)果如圖3所示，建筑群東南、西南面年太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，需考慮設(shè)計(jì)遮陽(yáng)措施。

圖3 建筑外表皮太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布

水平遮陽(yáng)板和豎向遮陽(yáng)板的遮陽(yáng)模擬結(jié)果如圖4和圖5 所示。在每層(4.5 m 間隔)提供水平遮陽(yáng)板，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算論證，遮陽(yáng)板進(jìn)深達(dá)到0.8 m 時(shí)，可將立面太陽(yáng)輻射整體降低20%。提供豎向遮陽(yáng)板的情況下，遮陽(yáng)板間隔4.5 m。經(jīng)過(guò)計(jì)算論證，遮陽(yáng)板進(jìn)深達(dá)到0.8 m，建筑立面年太陽(yáng)輻射整體降低15%。對(duì)于設(shè)置水平遮陽(yáng)板的玻璃幕墻外立面，受限于樓層間距，遮陽(yáng)板間隔較大。對(duì)于設(shè)置豎向遮陽(yáng)板的玻璃幕墻外立面，可結(jié)合玻璃扇面縮小遮陽(yáng)板間距。此外，還可以結(jié)合立面造型，來(lái)優(yōu)化遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，如采用內(nèi)凹嵌的玻璃幕墻，也可取得一定的遮陽(yáng)效果。

圖4 遮陽(yáng)板長(zhǎng)度對(duì)太陽(yáng)輻射的影響

圖5 遮陽(yáng)板長(zhǎng)度、間距對(duì)太陽(yáng)輻射的影響

3）幕墻開(kāi)啟扇設(shè)計(jì)

良好的自然通風(fēng)會(huì)延長(zhǎng)非采暖空調(diào)時(shí)間，從而降低采暖空調(diào)需求和能耗。外窗開(kāi)啟有利于自然通風(fēng)換氣，但考慮其冬季氣密性、外觀美觀性等原因，一般需要在可開(kāi)啟數(shù)量與通風(fēng)效果之間尋找較為合適的平衡點(diǎn)。玻璃幕墻開(kāi)啟扇成本較高，可開(kāi)啟的面積比例建議根據(jù)CFD 模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化論證。

以臨港科技創(chuàng)新城A0302 地塊項(xiàng)目典型辦公建筑為例，設(shè)計(jì)不同可開(kāi)啟扇比例和間距下的工況，討論自然通風(fēng)換氣次數(shù)的效果。本文使用PKPM 模擬軟件中的自然通風(fēng)模塊進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算邊界條件設(shè)置為上海市過(guò)渡季節(jié)室外風(fēng)環(huán)境計(jì)算氣象參數(shù)，風(fēng)速3.8 m/s，風(fēng)向ESE。模擬結(jié)果如圖6 所示，建筑平面布局較簡(jiǎn)單，遮擋較少，自然通風(fēng)良好，當(dāng)可開(kāi)啟扇比例降低至1.3%，也可以滿足75%以上的功能空間在過(guò)渡季典型工況下室內(nèi)自然通風(fēng)換氣次數(shù)達(dá)到2 次/h 的要求。但辦公空間整體氣流組織分布不均勻，影響辦公人員舒適度。因此建議，玻璃幕墻的開(kāi)啟扇比例大于3%，開(kāi)啟扇的設(shè)置間隔為6～8 m。

圖6 可開(kāi)啟扇比例對(duì)自然換氣次數(shù)的影響

3.2 超低能耗對(duì)方案成本的控制分析

超低能耗方案設(shè)計(jì)的成本控制需要結(jié)合建筑立面效果，優(yōu)化控制窗墻比、遮陽(yáng)構(gòu)件形式和開(kāi)啟扇數(shù)量。一方面，玻璃幕墻的造價(jià)遠(yuǎn)高于實(shí)體墻。另一方面，窗墻比相對(duì)較小時(shí)，對(duì)玻璃幕墻的熱工性能參數(shù)要求也相對(duì)較低，可以大幅降低成本。與常規(guī)設(shè)計(jì)方案不同，超低能耗建筑的辦公建筑方案設(shè)計(jì)，需要借助建筑性能模擬軟件來(lái)優(yōu)化建筑的被動(dòng)式設(shè)計(jì)，精細(xì)化指導(dǎo)立面造型的設(shè)計(jì)方向，在保證滿足導(dǎo)則要求下，盡可能滿足經(jīng)濟(jì)性。

4 總結(jié)及展望

超低能耗辦公建筑的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)該在方案階段就開(kāi)始介入，并引起足夠重視。辦公建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮超低能耗對(duì)建筑方案的影響，重點(diǎn)關(guān)注窗墻比、立面遮陽(yáng)形式和開(kāi)啟扇的優(yōu)化布置，在滿足建筑方案的美觀性與經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上選擇平衡點(diǎn)，采用基于建筑性能化分析的手段進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，可以大幅降低超低能耗的增量成本。